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纯机械自控阀门的设计思路

时间:2020-07-26作者:上珠阀门集团 查看:1806次

  二、纯机械自控阀门的设计

  

  (一)纯机械自控阀门的设计思路

  

  本文以 Irristat 阀门为基础,以土壤水分张力为主要设计原理。Irristat 阀门的自动控制主要是通过水分平衡原理来实现的,借助真空压力表的读数,张力计能够对土壤水分情况进行监测,以监测结果为基础来实现对阀门的自动化控制。在整个控制过程中,张力计相当于一个土壤温度的传感器,Irristat 阀门通过内部凝胶吸水膨胀及失水收缩来判断土壤中水分情况,从而通过阀门来实现对水流量的自动化控制,实现灌溉自动化,其不需要计算机和传感器,属于一种无源自控阀门,通过纯机械来实现阀门的自动化控制[2]。

  

  (二)纯机械自控阀门的结构设计

  

  本文提出的纯机械自控阀门结构设计如图 1 所示:

  

  阀门结构主要包括控制元件、两个弹簧(一个缓冲弹簧即弹簧1,一个复位弹簧即弹簧2)、进水口以及两个出水口组成,通过弹簧 1 能够推动阀芯移动,当阀芯锥形面封堵进水口的时候,则阀门关闭,灌溉停止,通过阀门 2 可以推动阀芯反向移动,封住进水口的阀芯锥形面会慢慢后退,从而实现阀门入水口的逐渐开启,灌溉恢复。

  

  三、纯机械自控阀门的控制原理及控制单元设计

  

  (一)纯机械自控阀门的控制原理分析

  

  纯机械自控阀门的控制原理如下:阀门自动控制元件中存在湿敏材料,湿敏材料与土壤直接接触,当土壤中水分含量增多的时候,湿敏材料产生吸水膨胀作用,从而给缓冲弹簧施加压力,缓冲弹簧在压力的作用下会移动并推动复位弹簧和阀芯进行运动,阀芯运动的过程中其锥形面会逐渐封住进水口,实现阀门的自动关闭,灌溉停止。当湿敏材料吸水膨胀的时候,如果其膨胀量比阀芯封堵进水口的移动量大,则很可能导致阀芯锥形头受到较大压力,甚至损坏阀芯,而缓冲弹簧则能够起到良好的缓冲作用,避免阀芯锥形头受到较大压力,实现对阀芯锥形头的保护[3]。

  

  (二)自动控制单元设计分析

  

  通过上文中的分析可知,缓冲弹簧主要起到对阀芯的缓冲保护作用,复位弹簧主要起到开启阀门的作用,阀门自动化控制的核心为弹簧,下面对两种弹簧的参数设定和设计方法进行分析:

  

  1. 弹簧参数设定。两种弹簧采用相同的参数,主要包括弹簧的内径、外径、中径、节间距、螺旋升角以及弹簧丝的直径。对于弹簧的旋转方向来说,如果没有特殊要求,一般选择右侧旋转。弹簧在不受压力的情况下,弹簧圈之间的间距应当为一定值,在受到压力的时候,弹簧会发生收缩变形。在设计的过程中应当考虑极限荷载的情况,应当保证弹簧圈之间在极限荷载作用下一定的间距。

  

  2.设计方法。在对弹簧进行设计的过程中,要保证其能够满足阀门正常使用的尺寸要求和圈数要求,同时要保证弹簧的稳定性和可靠性,这就涉及到弹簧刚度、稳定性以及强度的计算和确定。

  

  (1)弹簧刚度计算。弹簧刚度需要满足阀门正常工作对弹簧变形量的要求,从而计算出弹簧的具体参数,在弹簧丝直径、弹簧材质相同的时候,增加弹簧的圈数,弹簧的刚度会变小,减少弹簧的圈数,弹簧的刚度会变大。

  

  (2)弹簧强度计算。在本纯机械自控阀门设计中,所采用弹簧丝的升角在 5 度到9 度之间,将升角设为 a,则可以求出,a 的正弦值约等于 0,a 的余弦值约等于 1,以此可以求出弹簧截面应力的近似值:(12)42cdF+π。

  

  在上式中,F 代表剪力,c 代表弹簧中径与弹簧丝直径的比值,即弹簧指数,d 代表弹簧丝的直径,c 值过大,则可能会对弹簧的稳定性带来不良影响,c 值过小,则可能导致在卷绕的过程中弹簧丝出现弯曲,因此 c 值不宜过大也不宜过小,在本设计中 c 的取值范围为4-16。

  

  (1)弹簧稳定性计算。弹簧侧向弯曲是弹簧不稳定的具体体现,弹簧本身的圈数较多,同时受到的压力较大的时候,会影响其稳定性,出现侧向弯曲,即如果弹簧的高径比超过上限,则会出现侧向弯曲。为了保证纯机械自控阀门中弹簧的稳定性,在弹簧两端的不同状态需要取不同的长细比值,如果弹簧两端都处于固定状态,则弹簧长细比的取值应当小于5.3,如果弹簧一端处于固定状态,另一端处于自由状态,则弹簧的长细比应当小于 3.7,如果弹簧两端都处于自由状态,则弹簧的长细比应当小于 2.6。


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